基于自由涡尾迹方法的大型风力机动态响应和尾迹研究

针对大型风力机,在当作柔性和刚性风力机时,可以通过气动和结构耦合动力学用来研究两者尾迹和载荷的区别。在设计和校核阶段,需要考虑风力机结构载荷影响的动态特性和气动性能变化。采用非定常自由涡尾迹方法计算尾迹形状和气动载荷。在考虑气动载荷、惯性载荷和重力载荷影响下,分析了叶片挥舞和摆振动态响应。采用模态法建立起风力机解耦动力学方程,并且进行数值求解该方程。结果表明:风力机考虑柔性变形后,对尾迹形状、动态响应和气动性能产生一定影响。这种柔性和刚体风力机的差异表明气动结构耦合效应对风力机的设计和性能计算具有重要意义。     

基于假设模态法的风力机动力学分析

采用Kane方法建立风力机系统动力学模型,并使用假设模态离散化方法对其进行柔性化。结合修正的BEM理论计算得到的风轮气动载荷,并在Fortran环境下编程建立风力机整机的系统动力学数学模型,完成对风力机的随机响应分析。以某型2.5MW风力发电机组为研究对象进行分析计算,将分析数据同国际权威计算软件GH Bladed数据比较。比较表明,该分析模型可以较好的模拟风力机的动力学特性,同时兼顾了较少建模计算时间和较高分析精度两个优点,近而验证采用假设模态法进行风力机动力学分析是一种行之有效的方法。     

风力机叶片载荷谱及疲劳寿命分析

研究了大型风力机玻璃钢叶片载荷谱和疲劳寿命的工程估算方法。运用片条理论分析了影响风力机叶片疲劳寿命的气动载荷分布;应用多体动力学方法,分析了旋转叶片动力刚化效应产生的原因及其对叶片振动模态的影响;根据模态叠加法,计算了叶片在气动力、重力和旋转惯性力等确定性载荷作用下的动应力响应;探讨了玻璃钢叶片的疲劳性能、破坏准则及疲劳寿命估计方法;提出了一种基于 Palmgren Miner 线性累积损伤法则的玻璃钢叶片安全寿命估计方法。通过所设计的 1.5MW 变速变桨距风力机叶片疲劳寿命估计的算例表明,该方法是可靠和实用的。     

基于BEM的风力机叶片气动性能计算分析

叶片是风力发电机组捕获风能的核心部件,因此叶片的气动性能及可靠性是风力机安全运行的关键。本文以某1.5 MW风力机为研究对象,采用GH Bladed计算软件计算得到风力机叶片气动载荷的分布规律,并分析了风速及叶尖速比对叶片的气动载荷影响特性。结果表明:轴向荷载数值远大于切向荷载数值,轴向荷载数值沿着叶片尖端到叶片根部不断减小,随着风速的增大,轴向荷载沿展向分布曲线愈加平缓;叶根气动载荷中起控制作用的是轴向推力与挥舞方向弯矩,且随着风速增加至额定风速而单调增加;叶尖速比增大至5时,轴向荷载沿展向分布曲线平缓且峰值减小,当叶尖速比从7增大至11时,轴向荷载在叶尖又出现尖点且峰值大幅增加;当叶尖速比增大至7时,切向荷载逐渐增大,当叶尖速比从7增至11时,切向荷载减小;叶根气动载荷中起控制作用的是轴向推力与挥舞方向弯矩,随着叶尖速比的增大而单调增加,摆阵方向弯矩值随叶尖速比的增加呈现出先增大后减小的趋势。     

大型风力机的几何非线性动态响应研究

随着风力机大型化、柔性化发展,风力机叶片的变形越来越大,几何非线性效应也越来越明显。采用自由涡尾迹方法提高风力机气动载荷计算精度,应用有限元方法建立了风力机叶片结构梁模型。应用伽辽金方法建立叶片的几何非线性刚度矩阵,同时构建了叶片的非线性动力学方程。采用Newmark直接积分法进行时间步长推进,并采用修正的Newton-Raphson方法进行增量迭代计算,实现了大型风力机叶片气动与非线性结构耦合计算模拟。最后,通过美国可再生能源实验室的Phase VI风力机实验数据验证了计算模型的准确性和可靠性。同时以大型风力机NH1500为算例,计算了叶片的线性与非线性动态响应,分析了叶片几何非线性对动态响应和气动性能的影响。这对于提高大型风力机设计水平和各个部件载荷计算准确度具有重要意义。     

偏航状态下风力机塔架-叶片耦合结构气弹响应分析

提出一套快速预测偏航状态下风力机全机结构气弹响应的分析方法。以南京航空航天大学自主研发的5MW特大型概念风力机为例,建立风力机塔架-叶片耦合模型获取模态信息;采用谐波叠加法和改进的叶素-动量理论计算气动荷载,并考虑了偏航角对诱导速度的影响;再运用模态叠加法求解风力机耦合动力学方程,通过迭代循环更新叶片速度和气动力,对风力机塔架-叶片耦合结构进行气动载荷和气弹响应计算,并通过参数分析归纳出偏航角和气动弹性对风力机全机动态响应的影响规律。研究结论可为此类特大型风力机塔架-叶片耦合结构的抗风设计提供科学依据。     

基于非线性气弹耦合模型的风力机柔性叶片随机响应分析

为准确模拟柔性叶片在紊流风速下的气弹响应,研究叶片振动对气动载荷与气弹响应的反馈,构建包含多体系统动力学模型与气动模型的柔性叶片非线性气动弹性力学模型。在将细长柔性叶片离散为多刚体系统基础上,运用计算多体系统动力学理论和Roberson-Wittenburg的建模方法,结合叶素动量理论,采用Kaimal模型模拟脉动风速,建立风力机柔性叶片的气弹耦合方程。算例以美国可再生能源实验室(NREL)研制的5 MW近海风力机为研究对象,分析叶片的振动和叶根的挥舞与摆振力矩,研究柔性叶片振动对气动载荷影响。结果表明,叶片达到一定长度后,模拟风力机气弹响应问题时,其振动影响不可忽略。     

风力机翼型在复合运动下的动态失速数值分析

现代大型风力机在工作时叶片经历大变形与振动,将会对其周围的动态流场产生影响,从而导致气动力的改变。因此有必要深入研究风力机翼型在复合运动情况下的动态失速气动特性,以正确预测大型风力机运行时的载荷。该文应用计算流体力学方法,对S809翼型在不同运动形式下的动态失速特性进行了二维数值分析。首先对翼型在作俯仰运动下的轻失速和深失速情况分别结合S-A、SST k-ω和RSM三种湍流模型进行了动态失速数值模拟,结果表明S-A、SST k-ω和RSM三种湍流模型都能有效地计算出翼型的气动力。然后采用SST k-ω模型仿真了翼型在挥舞运动、俯仰摆振耦合运动下的动态失速气动特性,并与相同工况条件下翼型作俯仰运动时的气动特性进行了对比分析。发现翼型在挥舞运动下的动态失速虽然弱于俯仰运动,但其强度不容忽视;而翼型在作俯仰与摆振耦合运动时比单纯作俯仰运动时的失速程度更深。因此在风力机设计阶段为获得保守的气动载荷预测,有必要将叶片截面在挥舞与摆振方向的运动转换成等效攻角,叠加在主攻角上进行动态失速气动力计算。     

基于Pitt-peters理论的风力发电机振动分析

采用Pitt-Peter理论进行风力机气动力学的计算分析,并用MATLAB/simulink进行编程,建立风力机传动链的数学模型并在MATLAB/simulink中进行传动链系统的编程运算,建立风力机ADAMS柔性多体结构动力学仿真模型,将MATLAB/simulink和ADAMS进行风力机振动性能的联合仿真;将计算的气动载荷加载到风力机叶片结构上,将传动系统模型的反扭矩加到ADAMS风轮模型上,同时风力机的结构变形也对气动性能、传动性能产生耦合影响,仿真最终实现风力机系统振动性能耦合分析。仿真数据同实验测试数据比较表明:该联合仿真方法可以较好的模拟风力机的振动特性。     

基于matlab软件风力机叶片的数字化设计

本文以风力机叶片为研究对象,选用常用的NACA4412翼型,基于Glauert设计模型,利用matlab工具对一20KW风力机进行了叶片气动外形的设计,得到风力机叶片的外形参数。计算过程利用matlab能够简化繁琐计算便于修改参数,能够推广到其他产品的设计,为产品设计提供一定的依据。     

基于数论网格法与Morris法的翼型气动特性敏感性分析

针对在风力机翼型气动特性敏感性分析中计算效率较低的问题，提出了一种基于数论网格（number theoretic net，NT-net）法与Morris法的翼型气动特性敏感性分析方法。首先，构建了拟合精度较高的翼型参数化模型；其次，阐述了NT-net法的计算原理，采用NT-net法对翼型参数化模型的多项式系数进行抽样；然后，以风力机翼型S832为研究对象，采用Morris法进行翼型气动特性的全局敏感性分析；最后，进一步分析在特定工况下风力机翼型参数化模型的多项式系数对翼型外形及气动特性的影响。结果表明：影响翼型气动特性的主要因素依次为翼型的最大相对厚度和最大相对弯度、前缘半径和后缘厚度；当来流攻角较小时，最大相对厚度和最大相对弯度取适当的较小值、前缘半径取适当的较大值可有效增强该工况下风力机翼型的气动特性，同时也验证了NT-net法的计算效率更高。研究结果为风力机翼型气动设计提供了理论参考。     

考虑叶片旋转效应的风力发电塔架结构风-震耦合响应分析EI北大核心CSCD

中国风电场大多不可避免的建于地震频发地段,在风荷载作用下风机正常工作时发生地震是一概率极大的事件。因此,该文以西北地区某2.5 MW风力发电机为原型,对考虑叶片旋转效应的风电塔架结构在风-震耦合作用下的响应展开研究。利用谐波叠加法生成考虑叶片与塔筒的空间相干性的模拟脉动风速时程;基于叶素动量理论,计算考虑叶片旋转效应的叶轮载荷,并采用尾流模型计算塔筒尾流区塔筒面的载荷;基于有限元软件ABAQUS建立考虑叶片及机舱偏心的集中质量有限元模型并对风力发电塔筒结构在风-震耦合作用下的响应进行分析;探讨了地震输入时刻对于风-震耦合作用下风电塔筒响应的影响。研究结果表明:叶轮旋转效应及尾流对于风荷载的计算影响较大;风-震耦合作用可能使塔顶位移较风荷载单独作用下的小,基底应力接近地震单独作用下的基底应力值;地震动输入时刻对风-震耦合分析有较大影响,建议在设计时予以考虑。     

新型离网型风力机气动特性测试与分析

在低速风洞下对两种不同翼型的水平轴风力机进行气动特性实验研究,得到风力机的功率特性曲线;利用WAsP软件对当地风能资源评估,分析计算得到风谱图;最后计算两种不同翼型的风力机在不同地区风资源的单位面积年发电量。结果表明:在实际风场中采用新翼型风力机比传统翼型风力机单位面积发电量平均提高了28.4%。     

风力发电机耦合振动分析

采用叶素动量理论进行风力机气动力学的计算分析,并用MATLAB/simulink进行编程,建立风力机传动链的数学模型并在MATLAB/simulink中进行传动链系统的编程运算,建立风力机ADAMS柔性多体结构动力学仿真模型,将MATLAB/simulink和ADAMS进行风力机振动性能的联合仿真;将计算的气动载荷加载到风力机叶片结构上,将传动系统模型的反扭矩加到ADAMS风轮模型上,同时风力机的结构变形也对气动性能、传动性能产生耦合影响,仿真最终实现风力机系统振动性能耦合分析。仿真数据同实验测试数据比较表明,该联合仿真方法可以较好的模拟风力机的振动特性。研究为风力机振动特性分析进行了一次有益的探索。     

翼型凹变对风轮旋转噪声影响特性分析

针对某分布式小型风力机叶片,为了探究翼型凹变后对风轮旋转噪声的影响效果,利用60通道声阵列系统对凹变叶片和原叶片风轮进行旋转噪声采集,并通过探究翼型凹变对风轮结构动态响应的影响,解析了翼型凹变造成风轮旋转噪声降低的原因.结果表明,翼型凹变可以有效地提高叶片的固有频率和阻尼比,提升了叶片的刚度,有效地减弱了叶片对周围流体...     

Aerodynamic design and analysis of a 10 kW horizontal-axis wind turbine for Tainan,Taiwan

The purpose of the present study is to develop a small-scale horizontal-axis wind turbine (HAWT) suitable for the local wind conditions of Tainan, Taiwan. The wind energy potential was first determined through the Weibull wind speed distribution and then was adapted to the design of the turbine blade. Two numerical approaches were adopted in the design and analysis of the HAWT turbine blades. The blade element momentum theory (BEMT) was used to lay out the shape of the turbine blades (S822 and S823 airfoils). The geometry of the root region of the turbine blade was then modified to facilitate integration with a pitch control system. A mathematical model for the prediction of aerodynamic performance of the S822 and S823 airfoils, in which the lift and drag coefficients are calculated using BEMT equations, was then developed. Finally, computational fluid dynamics (CFD) was used to examine the aerodynamic characteristics of the resulting turbine blades. The resulting aerodynamic performance curves obtained from CFD simulation are in agreement with those obtained using BEMT. It is also observed that separation flow occurred at the turbine blade root at the tip speed ratios of 5 and 7.     

Modeling Smart Structure of Wind Turbine Blade

With the increasing size of wind turbine blades, the need for more sophisticated load control techniques has induced the interest for aerodynamic control systems with build-in intelligence on the blades. The paper aims to provide a way for modeling the adaptive wind turbine blades and analyze its ability for vibration suppress. It consists of the modeling of the adaptive wind turbine blades with the wire of piezoelectric material embedded in blade matrix, and smart sandwich structure of wind turbine blade. By using this model, an active vibration method which effectively suppresses the vibrations of the smart blade is designed.